Architetture d'accesso ottiche di prossima generazione

I sistemi d'accesso di prossima generazione (oltre il 10G TDM-PON) dovrebbero fornire un rate sostenibile di downstream fino a 1 Gbps e rate upstream fino a 250 Mbps con un fan-out di almeno 1:64 con una capacita d'estensione di 100 Km per supportare il nodo di consolidamento (considerato una strada importante per ridurre i costi della rete d'accesso).

Sono stati proposti diversi sistemi che sono in grado di soddisfare i requisiti di banda degli accessi di rete, come la WDM PON, la Stacked TDMPON, la WDM/TDM PON ibrida, e l'Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) PON, che

presentano tutti diversi compromessi in termini di costo, potenza e prestazioni. Tutte le soluzioni considerate sono illustrate nella figura 7.2, e la dissipazione di potenza delle componenti specifiche sono elencati nella Tabella 7.1 (I valori si basano su stime attuali e possono cambiare a seconda dell'evoluzione dei diversi componenti).

Figura 7.2 Schemi degli accessi ottici di prossima generazione

7.4.1 40G NRZ TDM-PON

Così come le soluzioni dell'attuale generazione delle PON sono basate sulla codifica non-return to zero (NRZ) on-off keying (OOK), una naturale evoluzione è la 40G NRZ TDM-PON. Il principale problema con la trasmissione a 40G NRZ è il limite di dispersione che, senza alcuna forma di compensazione, si riduce a 4 km (a 1550 nm). Quindi viene richiesta una compensazione della dispersione e un'amplificazione di potenza ottica per soddisfare i 20 Km come requisito base della portata. In Figura 7.2 viene presentata una

soluzione 40G TDM-PON che comprende un modulo di compensazione della dispersione (dispersion compensation module, DCM) ed un dispositivo elettronico di compensazione della dispersione (electronic dispersion compensation, EDC) in post-elaborazione dal lato ONU.

Una portata maggiore richiede l'introduzione di estensori di portata (mid-span reach extenders) con un aggiuntiva amplificazione del segnale ottico e compensazione della

dispersione mediante con o amplificatori a fibra drogata a Erbio (EDFA) con un DCM, o una conversione ottica-elettronica-ottica (OEO) .

7.4.2 Stacked 4x NRZ TDM 10G PON

Un'alternativa al 40G NRZ PON è la sovrapposizione di quattro 10G TDM PON (XG-PON) a diverse lunghezze d'onda sulla stessa ODN per fornire una capacità totale di 40Gbps in downstream e di 10G in upstream. Il consumo energetico è simile a quello del 10G TDM-PON, tranne per il fatto che il numero di ONU per ricetrasmettitori OLT è ridotto, con il conseguente aumento del consumo di potenza per linea della porta OLT.

Per questo sistema assumiamo 16 ONU per lunghezza d'onda. La portata del sistema è anche leggermente ridotta rispetto ai tradizionali XG-PON a causa dei componenti aggiuntivi nel percorso ottico, ma l'estensione della portata può essere

7.4.3 WDM-PON

La multiplazione per divisione di lunghezza d'onda offre un modo interessante per aumentare la capacità in una PON. Sono disponibili diverse varianti, ma verranno

considerate solo le due principali: la prima è basata su laser sintonizzabili (tunable laser, TL) e la seconda sugli amplificatori ottici riflettenti a semiconduttore (RSOAs), entrambe presso la ONU.

Per la prima variante si sono assunti i laser sintonizzabili con un dispositivo di raffreddamento termoelettrico, mentre per la seconda variante si assume una soluzione basata sulla lunghezza d'onda di riutilizzo ed una rimodulazione RZ/IRZ. Entrambi questi sistemi sono illustrate in Figura 7.2.

A differenza dei sistemi precedenti, entrambi si basano su un “wavelength splitting fan-out” piuttosto che su uno splitter di potenza ottica. Ciò si traduce in riduzione della perdita ottica e di una maggiore portata. Qui assumiamo 96 canali bidirezionali per una capacità totale di 96 Gbps. La soluzione basata su laser sintonizzabili può raggiungere oltre i 60 km senza estensori di portata, mentre per la soluzione basata su RSOA la portata di 60 km viene raggiunta mediante un EDFA.

7.4.4 40G OFDM-PON

La multiplazione OFD (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) offre un metodo alternativo per aumentare l'efficienza spettrale nella trasmissione ottica.

L'informazione è trasportata attraverso più sotto-portanti ortogonali ravvicinate e ogni banda OFDM, avente diverse sotto-portanti, richiede soltanto un singolo ricetrasmettitore.

I vantaggi delle OFDM PON comprendono la resilienza verso la dispersione cromatica, mentre gli svantaggi includono la sensibilità al rumore di fase, un grande

rapporto peak-to-average-power (PAPR), una richiesta di alta risoluzione dei convertitori analogico-digitale (ADC) e una maggiore quantità di elaborazione dei dati su entrambi i lati del collegamento. Si può ottenere anche un estensione della portata, preferibilmente mediante un EDFA.

7.4.5 Fibra PtP (1G)

Le soluzioni precedentemente descritte sono tutte basate sulla rete di distribuzione ottica PON. Una topologia alternativa è l'architettura punto-punto (point-to-point, PtP), in cui ogni abbonato è collegato direttamente al CO attraverso una fibra.

Quest'architettura richiede un aggiornamento meno complesso per ottenere velocità maggiori, ma richiede un condotto ampio (per il gran numero di fibre) e un ampio footprint nel CO. Tuttavia, gli estensori di portata non sono necessari, anche in uno scenario di “long reach”.

7.4.6 1G AON

Le reti ottiche attive (Active optical networks , AONs) offrono una soluzione d'accesso alternativa, offrendo maggiore flessibilità, ma al costo di un ulteriore nodo remoto attivo in campo, che necessita di alimentazione e di manutenzione. Per il nostro confronto

assumiamo che ogni nodo remoto supporti 16 porte da 1G in downlink e una porta di uplink da 10G.

7.4.7 Soluzioni ibride

Oltre alle soluzioni descritte, esistono varie ed interessanti soluzioni ibride che combinano i vantaggi delle diverse soluzioni (solitamente WDM, con qualche altra

soluzione). Un esempio è il sistema ibrido WDM/TDM basato sul 10G TDM PON in cui si combina l'efficienza delle risorse hardware (multiplexing statistico) della TDM-PON, con l'aumento della capacità complessiva della tecnologia WDM. Sono anche possibili diverse combinazioni di downstream e upstream che potrebbero essere motivate dalle differenze nei costi associati con la tecnologia di trasmissione e ricezione, combinata con la grande

sensibilità dei costi dal lato ONU.